《測量誤差與數(shù)據(jù)處理》課件-誤差理論的發(fā)展歷程

《測量誤差與數(shù)據(jù)處理》誤差理論的發(fā)展歷程日晷水漏古代計時儀器（每天數(shù)分鐘誤差）機械擺鐘17~18世紀的計時儀器（機械力驅(qū)動，每天誤差數(shù)秒鐘）20世紀的計時儀器（電力驅(qū)動，三百年只差一秒）1969第一只石英手表1973第一只數(shù)顯石英手表中國銫原子鐘，1秒/3000萬年經(jīng)典誤差理論的萌芽期01CONTENTS目錄經(jīng)典誤差理論的成熟期02現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期03經(jīng)典誤差理論的萌芽期PART01一、經(jīng)典誤差理論的萌芽期誤差理論的起源最早可以追溯到18世紀。1794年，17歲的德國數(shù)學家、測量學家和天文學家高斯首先闡明了最小二乘法的原理，并于1809年在其著作《天體沿圓錐截面圍繞太陽運動的理論》中發(fā)表。他的方法奠定了測量數(shù)據(jù)處理的理論基礎(chǔ)，被稱為高斯最小二乘法。一、經(jīng)典誤差理論的萌芽期同一時期，1805年法國數(shù)學家勒讓德爾在其著作《決定彗星軌道的新方法》中也用最小二乘法處理觀察結(jié)果。因此，可以說誤差理論的研究首先是從數(shù)學和物理天文學開始的，這兩位數(shù)學大師采用的最小二乘法奠定了測量數(shù)據(jù)處理的理論基礎(chǔ)，這個時期稱為經(jīng)典誤差理論的萌芽期。經(jīng)典誤差理論的成熟期PART02二、經(jīng)典誤差理論的成熟期在20世紀前后，蘇聯(lián)科學家對誤差理論進行了大量的系統(tǒng)研究。如契比雪夫、克雷洛夫、馬利科夫等發(fā)表了許多卓有成效的研究成果。其中最著名的是馬利科夫在1949年出版的《計量學基礎(chǔ)》一書，它是當時最全面、最系統(tǒng)地介紹誤差理論的專著，也是經(jīng)典誤差理論的總結(jié)。實際上，該書的內(nèi)容影響了我國20世紀50年代和60年代的計量測試的實踐活動。二、經(jīng)典誤差理論的成熟期初期的經(jīng)典誤差理論僅有誤差的概念、誤差的統(tǒng)計分布，后來發(fā)現(xiàn)對測量值產(chǎn)生影響的某些因素是可以分開處理的，所以有了不同性質(zhì)特征的三類誤差，即隨機誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差。隨著科學實驗活動的深入，誤差理論逐漸從單一測量值的數(shù)據(jù)處理而延伸到多個測量值的數(shù)據(jù)處理，從處理直接測量的數(shù)據(jù)問題發(fā)展到處理間接測量的問題，從對誤差的單一因素分析發(fā)展到對誤差多因素的合成評定等。二、經(jīng)典誤差理論的成熟期經(jīng)典誤差理論是以統(tǒng)計學理論為基礎(chǔ)，以靜態(tài)測量誤差為研究對象，以服從正態(tài)分布為主的隨機誤差估計和數(shù)據(jù)處理方法為特征，最后也是用測量誤差來表征測量結(jié)果的質(zhì)量。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，對測量結(jié)果評價的完備性和可靠性提出了更高的要求。用測量誤差來表征測量結(jié)果，是相對真值而言的，但由于真值是相對的、理論的，導致完善確定該測量誤差的困難，而且測量誤差中包含的系統(tǒng)誤差和隨機誤差這兩類不同性質(zhì)的誤差也難以綜合表征。二、經(jīng)典誤差理論的成熟期隨著國際貿(mào)易的不斷擴大，測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量高低需要在各國之間得到一致公認的評價，并依此開展國際間的驗證、比對試驗、計量確認、實驗室認可等活動。這就需要有一種統(tǒng)一的、廣泛適用的、簡明的評定測量質(zhì)量的方法。顯然，經(jīng)典誤差理論難以適應現(xiàn)代社會和科學技術(shù)發(fā)展的需求。現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期PART03三、現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期隨著科學技術(shù)和社會的發(fā)展，需要在更廣泛的領(lǐng)域里進行越來越精密的定量活動，顯然，也暴露了經(jīng)典誤差理論的不足。1973年，J.E.伯恩斯在《誤差與不確定度》一文中正式提出"不確定度"一詞。三、現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期不確定度是對測量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，反映了測量結(jié)果的分散程度，決定了測量結(jié)果的可用性。不確定度越小，說明測量結(jié)果質(zhì)量越高，使用越可靠，價值也越大。因此，測量結(jié)果必須附有不確定度說明才是完整并有意義的。這種更為科學、合理、實用的表征方法，成為現(xiàn)代誤差理論的核心之一。1980年，國際計量局在征求各國意見的基礎(chǔ)上，提出了《實驗不確定度建議書INC-1》。三、現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期1993年，國際標準化組織（ISO)、國際理論化學與應用化學聯(lián)合會（IUPAC)、國際理論物理與應用物理聯(lián)合會（IUPAP)、國際計量局（BIPM)、國際電工委員會（IEC)、國際臨床化學聯(lián)合會（IFCC）和國際法制計量組織（OIML）聯(lián)合頒布了《測量不確定度表示指南》，建立了在測量中評定和表達不確定度的一般規(guī)則，適用于不同精度要求的測量領(lǐng)域。三、現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期與此同一時期，誤差分離與修正技術(shù)的研究與應用、動態(tài)測量誤差的評定等均有了較大的發(fā)展，形成了較為完整的現(xiàn)代誤差理論體系。因此，從20世紀70年代中期開始，進入了現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展時期。三、現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期現(xiàn)代誤差理論拓寬了誤差理論的研究和使用范疇，克服了經(jīng)典誤差理論的不足，將靜態(tài)測量誤差與動態(tài)測量誤差，系統(tǒng)誤差和隨機誤差，測量數(shù)據(jù)與測量系統(tǒng)，不同誤差分布等融為一體，以常見誤差源的誤差性質(zhì)及其分布為研究基礎(chǔ)，以測量不確定度的原理及應用、動態(tài)測量不確定度的分析與評定等為主要研究內(nèi)容，以緊密結(jié)合工程測量與儀器制造技術(shù)的誤差修正與補償技術(shù)為研究熱點。在理論上突破了以統(tǒng)計學理論為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)研究方法，在實踐上力求統(tǒng)一、實用、可靠的評定準則和方法，在水平上實現(xiàn)了誤差理論與計算機應用技術(shù)、近代數(shù)學物理方法、測量和計量實踐，以及與標準化等緊密結(jié)合，正朝著現(xiàn)代化、科學化、實用化和高精度的目標推進。三、現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理在科學實驗和生產(chǎn)實踐中占有極其重要的地位，它是提高測量精度，保證獲取信息可靠性的重要手段。在科學研究中，測量精度的提高和測量誤差的深入研究，往往是重大科學新發(fā)現(xiàn)的前導。在工業(yè)生產(chǎn)中，測量精度不僅對工程技術(shù)和工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量起著監(jiān)督和保證作用，而且還是工程成敗、產(chǎn)品優(yōu)劣的一項決定性因素。因此，科學的進步，生產(chǎn)的發(fā)展是與測量理論、測量技術(shù)與手段以及誤差理論與數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展和